[논문]메타모델기반최적화를 이용한 아우터타이로드의 경량화 설계

김영준; 박순형; 이권희; 박영철

doi:10.5762/kais.2015.16.11.7754

메타모델기반최적화를 이용한 아우터타이로드의 경량화 설계
Lightweight Design of an Outer Tie Rod Using Meta-Model Based Optimization Technique 원문보기

한국산학기술학회논문지 = Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, v.16 no.11, 2015년, pp.7754 - 7760

김영준 ((주)센트랄 중앙연구소) , 박순형 (동아대학교 대학원 기계공학과) , 이권희 (동아대학교 대학원 기계공학과) , 박영철 (동아대학교 대학원 기계공학과)

초록
AI-Helper

조향계부품인 아우터타이로드 조립체에 대하여 경량화를 위한 최적화를 수행하였다. 지금까지의 아우터타이로드의 최적설계해석에서는 인너타이로드가 제외되었으나 본 연구에서는 조립체에 대한 최적화를 실시함으로써 실제 시험모드와 동일한 조건을 묘사하였다. 경량화 재료는 알루미늄 단조재이며 최적화 대상은 좌굴하중에 견딜수 있는 최소 중량의 아우터 타이로드 조립체의 형상이다. 형상 최적화 기법으로는 비선형 모델의 최적화 기법인 반응표면법과 크리깅 내삽법을 적용하였으며 초기모델 대비 각각 16.3%, 16.6%의 중량 감소 효과를 얻을 수 있었다. 근사모델로부터 얻은 최적설계 모델은 유한요소 해석을 통하여 검토한 결과 좌굴하중 예측치는 각각 2.6% 2.04% 중량예측치는 0.17% 0.13%의 오차를 가지고 있어 크리깅 기법 근사 모델이 더욱 최적해에 가까운 결과를 도출할 수 있을 것으로 보인다.

Abstract ▼ AI-Helper

The outer tie rod is one of the part of steering system, the optimization process was executed to find the lightweight design. The inner tie rod was considered in the optimum design of an outer tie rod. it could be closer to the test condition than in the case of considering outer tie rod only. The aluminum forging material was considered as a weight reduction proposal. The target of optimization was the shape of the minimum weight to resist at the load of buckling. RSM and Kriging interpolation method were applied as a optimization method to consider the nonlinear shape optimization problem. Then, 16.3%, 16.6% of weight reduction was obtained from the result comparing with that of the initial model. The results of meta model optimization was compared with that of finite element method. The error values of buckling load estimation were 2.6%, 2.04%. and those of weight estimation were 0.17%, 0.13%. Therefore, it seemed that the result of Kriging model could be obtained closer to optimum value than that of RSM model.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

자동차의 경량화를 위해서는 경량화 재질로 변경하는 방법, 최적화기법을 이용한 구조설계방법, 경량화를 위한 제작공법 등을 적용할 수 있다[1~5]. 본 연구에서는 강재로 된 아우터타이로드를 경량화 재질인 알루미늄으로 변경하고 구조최적설계기법을 이용하여 아우터타이로드의 경량화 설계를 제시하고자 한다.

가설 설정

이는 좌굴성능을 만족하게 되면 내구성능 및 정적강도 기준을 만족한다고 할 수 있다[2~5]. 따라서 본 연구에서는 구조최적설계시에 좌굴하중조건만을 고려하였다.

제안 방법

6%의 중량 감소 효과를 보였으며 모두 좌굴하중에 대한 기준을 만족하고 있다. 기존의 연구에서는 이너타이로드를 배제한 상태에서 구조설계를 진행한 반면 본 연구에서는 시험조건과 동일하게 아우터타이로드, 인너타이로드를 결합한 부품에 대한 구조설계를 수행하였다.
중량에 대한 결정계수 및 수정결정계수는 모두 1에 가깝고 좌굴하중에 대한 결정계수 및 수정결정계수도 90%이상이어서 신뢰도 높은 근사모델이라 할 수 있다. 따라서 이 근사모델을 이용하여 최적화를 수행하였다. 그 결과 최적설계변수는 x₁^* =6.
여기서 아우터 및 인너타이로드의 결합부에 장착되는 볼트와 너트 등은 생략하였다. 또한, 유한요소모델링을 위한 전처리 단계에 Hypermesh를, 좌굴해석 수행에는 Abaqus를 이용하였다. 아우터타이로드의 초기해석 모델의 중량은 약 448.
설계변수 x1, x2의 초기값은 10mm, 20mm으로서 단면의 대칭면을 기준하여 폭의 하한값 및 상한값 범위를 설정하였다. 본 연구에 서는 식 (1)의 Weight와를 반응표면모델과 크리깅모델로 근사시킨 후 SQP 알고리듬을 이용하여 최적화를 수행한다. 메타모델을 생성하는 방법에는 반응표면법, 크리깅, 신경망(Neural Network) 방법, RBF(Radial Basis Function) 방법 등이 있다.
본 연구에서 자동차 조향장치 부품 중 아우터타이로드에 대한 반응표면법과 크리깅 기법을 이용하여 경량화 설계를 제시하였다. 즉, 강재에서 Al6061재질로 변경된 아우터타이로드의 경량화를 위하여 메타모델기반 최적 설계를 수행하였다.
메타모델을 생성하는 방법에는 반응표면법, 크리깅, 신경망(Neural Network) 방법, RBF(Radial Basis Function) 방법 등이 있다. 본 연구에서는 반응표면법과 크리깅을 이용하여 신뢰성을 비교 평가하였다.
본 연구에서 자동차 조향장치 부품 중 아우터타이로드에 대한 반응표면법과 크리깅 기법을 이용하여 경량화 설계를 제시하였다. 즉, 강재에서 Al6061재질로 변경된 아우터타이로드의 경량화를 위하여 메타모델기반 최적 설계를 수행하였다. 반응표면법과 크리깅을 적용한 경우 알루미늄으로된 초기모델 대비 각각 16.

대상 데이터

본 연구에서는 Figs. 2, 3과 같이 아우터타이로드와 인너타이로드(ITR)를 동시에 모델링하였다. 여기서 아우터 및 인너타이로드의 결합부에 장착되는 볼트와 너트 등은 생략하였다.

이론/모형

본 연구에서 적용한 최적화기법으로는 반응표면법과 크리깅의 메타모델을 이용한 최적설계 기법이다. 유한요소해석 프로그램과 구배기반최적화알고리듬(gradientbased optimization algorithm)을 직접 연계하고 민감도 해석을 포함시키면 우수한 최적해를 산출할 수 있다.
메타모델을 생성하는 방법으로는 반응표면법, 크리깅, 뉴럴네트워크, 레이디얼베이시시함수 등이 있다. 본 연구에서는 3차 다항식을 이용한 반응표면법과 크리깅 기법중 내삽법인 DACE기법을 각각 적용하였다[5, 6]. 아우터타이로드의 구조최적설계 시 반응치인 중량과 좌굴 하중의 반응치를 반응표면모델과 크리깅 메타모델로 각각 대치하여 근사화된 최적설계 정식화를 순차이차계획법(SQP: sequential quadratic programming)을 이용하여 최적해를 산출하였다.
본 연구에서는 3차 다항식을 이용한 반응표면법과 크리깅 기법중 내삽법인 DACE기법을 각각 적용하였다[5, 6]. 아우터타이로드의 구조최적설계 시 반응치인 중량과 좌굴 하중의 반응치를 반응표면모델과 크리깅 메타모델로 각각 대치하여 근사화된 최적설계 정식화를 순차이차계획법(SQP: sequential quadratic programming)을 이용하여 최적해를 산출하였다.
메타모델기반 최적화기법을 이용하기 위해서는 먼저 표본점의 생성이 필요하다. 표본점을 생성하는 방법은 전조합실시법, 중심합성법, D-optimal 방법, 라틴하이퍼 큐브, 직교배열표 등이 있는데 본 연구에서는 Matlab에 내장되어 있는 lhsdesign 명령어를 이용한 라틴하이퍼큐 브디자인 방법을 채택하였다. 표본점은 경험적[1~5]으로 25개로 하였으며 이와함께 25회의 비선형유한요소해석으로부터 산출된 좌굴하중값과 중량을 Table 1에 표시 하였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	아우터타이로드는 조향계 부품으로서 어떤 역할을 하는가?	아우터타이로드는 조향계 부품으로서 다음과 같은 역할을 한다. 조향력은 조향휠에서 조향기어, 피트먼 암, 릴레이 로드, 인너 타이로드와 연결된 아우터 타이로드 를 거쳐 최종적으로 너클 암을 통해 바퀴에 전달된다. 아우터타이로드의 중량은 현가계 및 조향계의 타 부품과 비교했을 시 비교적 작다.
	아우터타이로드가 차량의 좌측, 우측에 설치되는데 이의 설계를 위해서는?	그러나 강재를 알루미늄으로 변경하고 아우터타이로드가 차량의 좌측, 우측에 설치되는 것을 고려하면 이의 경량화를 무시할 수 없다. 이의 설계를 위해서는 내구성능, 좌굴성능, 정적강도 특성등을 고려해야 하지만 경험적으로 좌굴조건이 제일 엄격하다. 이는 좌굴성능을 만족하게 되면 내구성능 및 정적강도 기준을 만족한다고 할 수 있다[2~5].
	자동차의 경량화를 위해서는?	최근 들어 유해가스의 규제와 친환경 자동차의 개발과 더불어 차체 및 샤시의 부품에 대한 경량화가 부각되고 있다. 자동차의 경량화를 위해서는 경량화 재질로 변경하는 방법, 최적화기법을 이용한 구조설계방법, 경량화를 위한 제작공법 등을 적용할 수 있다[1~5]. 본 연구에서는 강재로 된 아우터타이로드를 경량화 재질인 알루미늄으로 변경하고 구조최적설계기법을 이용하여 아우터타이로드의 경량화 설계를 제시하고자 한다.

참고문헌 (6)

J.K. Kim, H.J. Son, S.W. Kang, Y.C. Park, K.H. Lee "Structural Optimization of an Outer Tie Rod for Passenger Car," KSAE Annual Conference and Exhibition, pp.1019-1025, 2009.
J.K. Kim, Y.J. Kim, W.H. Yang, Y.C. Park, K.H. Lee "Structural Design of an Outer Tie Rod for a Passenger Car", International Journal of Automotive Technology, Vol 12, Issue 3, pp.375-381, 2011. DOI: http://dx.doi.org/10.1007/s12239-011-0044-6

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B.K. Seo, J.K. Kim, D.J. Lee, S.M. Seo, K.H. Lee, Y.C. Park "Structural Design of the Outer Tie Rod for and Electrical Vehicle," Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, Vol. 14, No. 9, pp.4171-4177, 2013. DOI: http://dx.doi.org/10.5762/KAIS.2013.14.9.4171

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Y.J. Kim, K.J. An., K.H. Lee, Y.C. Park "Structural Optimization of an Outer Tie Rod Using RSM and Kriging," Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, Vol 16, No. 1 pp. 27-34, 2015. DOI: http://dx.doi.org/10.5762/KAIS.2015.16.1.27

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J.K. Kim, Y.M. Kwon, Y.C. Park, K.H. Lee "Shape Design of an Outer Tie Rod, Considering Durability Criteria," Journal of the Korean Society of Manufacturing Process Engineers, Vol. 8, No. 4, pp.54-60, 2009.
B.C. Song, Y.C. Park, S.W. Kang, K.H. Lee "Structural Optimization of an Upper Control Arm, Considering the Strength," Journal of Automobile Engineering, Vol. 223, No. 6, pp. 727-735, 2009. DOI: http://dx.doi.org/10.1243/09544070JAUTO1090

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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